[发明专利]轮式移动机器人的模糊滑模驱动控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种轮式移动机器人的驱动控制方法，属于机器人控制系统及其控制算法领域。

背景技术

轮式移动机器人在代替人类从事危险作业、星球探测以及极地科考等工作中应用十分广泛。根据车辆地面力学的研究成果，轮式移动机器人车轮在土壤上行驶，土壤颗粒受力发生变形流动，车轮会产生滑转。当土壤提供的最大推力所对应的滑转率低于车轮滑转率时，车轮便形成滑转下陷。车轮的下陷量与车轮的滑转程度密切相关，当车轮滑转程度增加时，车轮的下陷量也会增加，车轮过度的滑转必然导致过度的下陷。车轮过度的下陷则将导致车轮前进阻力的急剧增加，致使机器人陷入松软的路面甚至不能行驶。为了避免过度的滑转下陷，保证轮式移动机器人的正常行驶，需要对车轮的滑转下陷进行限制。限制车轮滑转下陷的一个简单有效的办法就是控制车轮的滑转的程度，即滑转率。

控制轮式移动机器人车轮滑转率不但可以控制其车轮的滑转程度，使机器人不至于陷入困境，保证机器人的正常行驶，在轮式移动机器人处于正常行驶状态时，还能提高轮式移动机器人的能源利用率，节省机器人携带的有限能源。

由于轮式移动机器人车轮控制模型的非线性以及地面参数的不确定，应用在轮式移动机器人上的控制算法必须具有鲁棒性强、控制精度高等特点。目前应用于轮式移动机器人驱动控制的方法主要有模糊控制、滑模控制等智能控制算法。模糊控制算法虽然具有鲁棒性强，抗干扰性强等优点，但是模糊控制器参数必须反复试凑才能确定；滑模控制算法可以不依赖系统的模型，但其缺点就是系统本身的抖振不能消除，严重影响系统的控制精度。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种轮式移动机器人的模糊滑模驱动控制方法。模糊滑模控制是将模糊控制和传统的滑模控制相结合，模糊滑模控制算法兼有模糊控制及滑模控制的优点。为了达到上述发明目的且避免或减轻两者的缺点，本发明的构思是：模糊滑模控制相对于常规模糊控制的变化具有两个方面的重要意义，一是控制目标从跟踪误差转为滑模函数，只要施加控制使滑模函数s为零，跟踪误差将渐进到达零点；二是对于n>2的高阶系统，在常规模糊控制中输入应为                                                ，而模糊滑模控制的输入始终是二维的。总之，在n>2的特定情况下，模糊滑模控制具有简化模糊控制系统结构复杂性的作用。对于滑模控制而言，模糊滑模控制的意义在于它柔化控制信号，减轻或避免了一般滑模控制的抖振现象。

根据上述发明构思，本发明的技术方案是：一种轮式移动机器人的模糊滑模驱动控制方法，其特征在于，包括如下步骤：1) 根据车辆地面力学理论，分析轮式移动机器人刚性车轮与地面的接触特性，建立轮式移动机器人行驶动力学模型；2) 根据系统特征，确定系统的控制输入和控制输出，建立以车轮滑转率为系统状态变量的轮式移动机器人控制系统模型；3) 设计系统中的模糊控制器和滑模控制器，建立轮式移动机器人驱动控制系统。

根据所述步骤1）中的车辆地面力学理论，轮式移动机器人车轮滑转率定义如下：

                                                                                              （1）

式中，ω为车轮的转动角速度，为车轮半径，为车轮移动速度。

所建立的六轮轮式移动机器人单侧行走系统的动力学模型：

                                                                                                     （2） 

式中，m为轮式移动机器人的质量，为车轮加速度，为车轮编号，为车轮牵引力，为土壤阻力，I_W为轮式移动机器人车轮转动惯量，为车轮角加速度，为车轮驱动电机输出转矩，为轮式移动机器人车轮阻力矩。

所述步骤2）中对轮式移动机器人的滑转率和行驶动力模型综合分析可得轮式移动机器人控制模型的状态空间方程：

                                                           （3）

式中状态变量为车轮滑转率，是控制模型的控制输出变量，为车轮驱动电机的输出转矩，在空间状态方程中为控制输入变量，和分别表达为：